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标题: 嵌入式系统及其在医疗仪器设备中的应用 [打印本页]

作者: rise_ming 时间: 2013-1-18 23:23 标题: 嵌入式系统及其在医疗仪器设备中的应用

嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物，是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。
   文中介绍了嵌入式系统的特点及发展，提出了在嵌入式系统开发过程中应遵循的原则，并介绍了嵌入式系统在医疗仪器设备中的应用。

   嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统是当今非常热门的研究领域，在PC市场已趋于稳定的今天，嵌入式系统市场的发展速度却正在加快。由于嵌入式系统所依托的软硬件技术得到了快速发展，因此嵌入式系统自身获得了快速发展。根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，在21世纪初的10年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10～100倍的商机。
      有机构估计，全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过1万亿美元。随着技术的发展，业内对嵌入式系统的定义也越来越清晰。它是微处理器、大规模集成电路、软件技术和各种具体的行业应用技术相结合的结果，其中各种软件技术占了嵌入式系统80%的工作量。嵌入式系统不同于一般PC 机上的应用系统，即使是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间的差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制较多。可以说，嵌入式系统是不可垄断、需要不断创新的技术。
     嵌入式系统历史及发展趋势
      事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”（Stored Program Control）。
　　
      嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel 4004，其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，从而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。
　　
      为灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后来人们可以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模块，就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最适合的OEM产品，插入外购或自制的机箱中就能形成新的系统，因此希望插件相互兼容，从而导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。
　　
      20世纪80年代可以说是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微控制器，即俗称的单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速渗入到消费电子、医疗仪器、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各个领域。
　　
   20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引导着微控制器向32位高速智能化发展。在应用方面，发展也较为迅速。特别是掌上电脑，1997年在美国市场上掌上电脑不过四五个品牌，而1998年底，各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外，Nokia推出了智能电话，西门子推出了机顶盒，Wyse推出了智能终端，NS推出了WebPAD。21世纪无疑是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各类网络中也必然是嵌入式系统发展的重要方向。嵌入式系统在各个领域应用的发展潜力巨大，其在医疗仪器领域的应用也越来越广泛。
      嵌入式系统

      嵌入式系统的定义及分类
      嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等部分组成（见图１），用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
      嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件(OS)和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式系统通常可按图２分类。嵌入式产品已经在航空航天、交通、电子、医疗仪器、通信、工控、金融、家电等行业得到广泛应用。
      嵌入式系统的特点
      嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下特点：

      (1)对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度；

      (2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；

      (3)可扩展的处理器结构，以便最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器；

   (4)嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有六大重要特征：

   (1)专用性强：嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU，与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密；

   (2)知识集成度高：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统；

      (3)系统内核小：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力；

   (4)系统精简：嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，一般没有系统软件和应用软件的明显区分。它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期；

   (5)高实时性和可靠性：为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中；

   (6)系统开发需要专门的开发工具和环境：嵌入式系统本身不具备自主开发能力，设计完成以后用户通常不能直接对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
     嵌入式系统在医疗仪器中的应用

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